基于高压水平旋喷桩超前支护技术的隧道施工技术研究

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(1.武汉铁路职业技术学院, 湖北 武汉 430205； 2.中南大学, 湖南 长沙 410075)

近年来，我国铁路建设高速发展，与之相关的隧道工程也日渐增多。隧道工程作为地下工程的一种，其施工会造成围岩扰动，宏观表现在隧道变形和地表沉降。尤其是围岩稳定性差、富含地下水等，会造成涌水、涌泥甚至塌方，酿成隧道施工安全事故[1]。因此，在隧道施工前对隧道掌子面前方土体进行超前支护[2]。超前支护定义是指开挖之前预支护前方围岩，提高围岩自稳能力，并确保开挖面周围应力干扰最小化的方法。目前常用的超前支护方法[3]有冷冻法、预切槽法、深孔注浆法、管棚超前支护法等。不同地质条件、施工要求等需要选择不同的隧道超前支护方法。

高压水平旋喷桩[4-6]作为超前支护技术的一种，以水平钻孔为基础，采用高压旋喷方法压住水泥浆，改变土体结构，加强掌子面前方围岩结构稳定。高压水平旋喷桩具有拱效应、梁效应以及土体改良效应，还具有防流沙、抗滑移、防涌水，且具有强度高、均匀性强、可控性强、综合效果好等特点，因此在隧道施工超前支护中应用广泛。孟凤朝[7]证明高压水平旋喷桩超前支护在流塑桩砂质黏性土隧道应用的重要性；郭伟等[8]以深圳地铁安托山站-侨香站为基础介绍了高压水平旋喷桩超前支护在富水砂层浅埋暗挖隧道施工应用的良好效果。本文通过具体事例，研究了高压水平旋喷桩作用机理、方案设计及施工流程，并将地表沉降的实际检测数据与数值模拟结果对比，分析高压水平旋喷桩超前支护的支护效果。

1 概况

该工程属于地铁站隧道工程，位于两街道交叉口位置，隧道最大埋深为28 m，进口历程为DK17+880.567，出口里程为DK25+113.8，全长7 200 m。围岩类别属于I级，采用CDR法开挖施工。该地段属于丘间谷地，地形稍有起伏。

该工程地层表面土层十分松散软弱，在勘测过程中发现该工程隧道地层结构主要分为：晚更新统冲洪积相地层、冲洪积相地层第四系全新人工土堆层，主要由砾砂、粗砂、中砂、粉质黏土、素填土组成。地层自上而下分别是：松散 — 密实杂填土，可塑粉质黏土，稍密 — 中密中、粗砂，中密 — 密实中、粗砂，可塑粉质黏土，薄中密 — 密实砾砂，可塑粉质黏土。

隧道出口冲沟底部有流水，水面高程为1 000 m。地表水以大气降水和基岩裂隙水渗出为主。排泄以大气降水补给、蒸发、地表径流及渗入为基础，受季节性影响显著，雨季水量大且集中，易造成突水涌泥灾害。非雨季水量少或者无水。因此，开挖工法采用CDR方法，超前支护方法为高压水平旋喷桩超前支护方法。

2 高压水平旋喷桩超前支护技术

2.1 高压水平旋喷桩机理及特点

高压水平旋喷桩机理为：利用钻机，沿水平方向钻孔至设计需求深度，然后边拔钻杆边将浆液喷射到土体，在流体冲击力的高压水平力下对土层切割，进而改变土体结构。钻杆一遍低速(20 r/min)旋转，一遍低速(15～30 cm/s)外拔，使土体和水泥浆充分搅拌混合，通过胶结硬化，形成直径均匀(大于50 cm)，强度大的旋喷柱体，加固地层。

高压水平旋喷桩技术特点为：强度高，高压旋喷条件使土体与水泥浆充分融合，形成的固结体强度远高于一般浆体；均匀性强，成桩过程采用高压水泥浆喷射可使块状土体充分破碎与水泥浆液混合，形成均匀混合体；可控性强，通过调节注入参数以及注入部位及范围控制土体破坏范围等。

2.2 超前支护方案

该段隧道工程地质条件复杂且差，埋深浅，工程难点是控制地表沉降。因此，隧道工程的拱顶采用高压水平旋喷桩施工，底部开挖轮廓线，且帷幕注浆，用于支护防水等。

为保证洞内断面注浆时不发生地面冒浆，达到掌子面时开挖不发生涌水涌泥，需在拱顶180°开挖轮廓线外打设一圈高压水平旋喷桩作为超前支护。接着在隧道上半部掌子面，打设9根旋喷桩加固。高压水平旋喷桩超期支护完成后，在隧道下班断面洞内及开挖轮廓线外4 m进行帷幕注浆。

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在隧道开挖轮廓线外4 m采用高压水平旋喷桩(φ600 mm，桩间距为450 mm咬合布置)作为超前支护，形成完整帷幕体系，可有效保护开挖时对周边围岩土体的扰动。在上半部掌子面设置玻璃纤维锚杆旋喷桩，排间距1.0 m×1.5 m，梅花形布置，可充分稳定掌子面正前方土体。具体布置示意图如图1所示。

图1 高压水平旋喷桩布置示意图Figure1 Schematic diagram of high-pressure horizontal jet grouting pile layout

2.3 机器设备及旋喷参数选取

综合考虑各种因素，包括钻机性能、造价、适应条件等，选择PST-60 单臂隧道钻机及其配套的7T-505型高压大流量泵站。该钻机重达66 t，最大功率为155 kW，作业半径为3.7～6.5 m。高压水平旋喷桩施工的主要机械设备及材料见表1。

表1 施工过程主要机械设备及材料Table 1 Main mechanical equipment and materials during construction名称规格型号数量高压水平旋喷机PST-602高压泵7T-5052空压机内燃9 m3/min2储浆桶20 t2污水泵1.5 kW6搅拌桶35 t2轨道槽钢200 m轨枕槽钢120 m

为实现最佳加固效果，在进行超前支护之前，要开展试验桩并进行周期性监测。对于高压水平旋喷桩，其加固效果与浆液压力、旋转速度以及浆液相对密度等因素相关，试验中以这3个因素为变量设计7组试验桩X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7，具体如表2所示。

表2 高压水平旋喷桩试验桩条件Table 2 Test conditions of high pressure horizontal jet grouting pile桩号浆液压力/MPa旋转速度/(r·min-1)浆液水灰比X135201∶0.8X235201∶1X340201∶1X440251∶1X540251∶1.2X645251∶1.2X745301∶1.2

7组试验桩中每个试验桩，设计桩径均为600 mm，桩间距为450 mm，施工长度为8 m，施工角度为-3.6°，回抽速度为25 cm/min，水泥使用量为150 kg/m。试验桩均位于同一区域，地质条件相同。查看这7组试验桩外管，发现试验效果好：桩身为圆形，略微有鼓边，无缩颈；桩体颜色清灰，切割搅拌均匀，且固结比较密实，不存在颗粒状的土块。具体测试结果如表3和表4所示。

根据试验结果可确定，X4试验桩施工参数所得结果最佳，因此浆液压力40 MPa，旋转速度为25 r/min，浆液水灰比为1 ∶ 1的试验条件最适宜现场施工。试验结果还表明：从桩径来讲，当浆液压力、旋转速度以及浆液水灰比达到一定数值时，不再随着其值的增加而增大，而对于试验桩强度来讲，当达到一定数值后，随着其值的增加而降低。

表3 桩径试验结果Table 3 Pile diameter test results桩号试验桩桩径/cm桩号试验桩桩径/cmX165X5110X280X6110X393X7110X4110

表4 试验桩强度试验结果Table 4 Test pile strength test results桩号龄期/d7142128桩号龄期/d7142128X11.312.873.433.84X51.643.173.724.67X21.422.943.534.23X61.563.023.674.54X31.573.13.654.45X71.432.93.564.23X41.83.233.874.75

3 高压水平旋喷桩超前支护技术

该工程开挖方法采用CDR方法，超前加固采用高压水平旋喷桩超前支护方法，具体为拱顶采用高压水平旋喷桩施工，底部开挖轮廓线，且帷幕注浆，用于支护防水等。

3.1 施工工艺流程及技术要求

图2 高压水平旋喷桩施工工艺Figure 2 Construction process of high-pressure horizontal jet grouting pile

3.2 施工质量保证措施

为保证该工程高压水平旋喷桩超前支护效果，需要注意以下4点。

a.钻机水平钻到设计深度后，首先进行原位旋喷0.5 min，然后后退，并在后退过程中旋转速度调整为25 r/min。

b.由于钻杆自身重量和高压浆液对土体的切割，会导致钻头在钻进过程中出现明显下移，因此，对旋喷桩的设计坡度要预先上仰3%。

c.当卸管时，必须动作快，且需要先停止回抽，然后5圈之后停止送浆再卸管。卸管完成后，要尽可能快速与前端连接，恢复给浆后先旋转5圈后再回抽。

d.高压水平旋喷桩应连续进行，当中途需要拆卸喷管时，应进行复喷，搭接长度应高于200 mm。供浆正常情况下，孔口回浆密度会变小，因此要增加近浆密度。

4 基于高压水平旋喷桩超前支护技术下隧道施工效果模拟

4.1 数值模拟分析思路

本文采用有限元网络模型[9-10]精细数值模拟分析，具体步骤为：

a.建立隧道施工模拟的有限元分析模型，具体如图3所示。本文的模型宽度取100 m，深度为60 m，隧道直径为10 m，中心埋深为26 m。

b.对相关边界条件、土体材料属性等进行定义，并计算自重条件下，相关的地表沉降，消除先期沉降造成的隧道开挖影响。其中土体本构模型采用Duncan-Chang进行对比，具体模型参数见表5。

图3 该隧道施工的有限元网络模型Figure 3 Finite element network model of the tunnel construction

表5 基于Duncan-Chang模型参数Table 5 model parameters based on Duncan-Chang土质C/kPaϕ/(°)渗透系数KnG填土102593.10.30.34粉质黏土152047.70.140.31砾砂103063.10.230.28粗砂84078.50.150.27中砂535140.70.270.29

c.利用ADINA支持模型定义模拟复杂开挖及衬砌模型，计算隧道开挖所形成的土体损失造成的地表沉降。

4.2 地表沉降模拟结果分析

在隧道内进行旋喷桩及注浆作业时，测量监控测点布置的隧道洞内外，对掌子面初支在施工过程进行监控测量。为反映高压水平单排旋喷桩超前支护在实际工程中控制地表沉降，通过上述有限元网络模型进行模拟，并与实际监测结果对比，具体如图4所示。

图4 模拟与实测地表沉降模拟结果Figure 4 Simulation and measured surface settlement simulation results

根据图4可知，采用有限元模拟法可以有效表征地表沉降。图5所示，为采用常用的小导管注浆法与高压水平旋喷桩超前支护方法进行隧道施工后地表沉降结果。

图5 采用高压水平旋喷桩超前支护的地表沉降Figure 5 Surface settlement using advanced support of high-pressure horizontal jet grouting pile

5 结语

由于地铁隧道施工过程中穿越的地质条件复杂，在隧道施工前期采用高压水平旋喷桩超前支护技术，可有效提高围岩结构稳定性和刚度。相对于其他超前支护技术，高压水平旋喷桩超前支护技术具有强度高、刚度大、施工可控性强等优点。因此，在隧道施工中采用高压水平旋喷桩超前支护技术已成为关键。值得注意的是目前我国高压水平旋喷桩超前支护技术还有很大的不足，表现在：没有定额，设计计价无法科学制定；均采用进口设备，成本高。